鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與充電管理策略研究

張志峰，陳楚湘，王運(yùn)成

(信息工程大學(xué)理學(xué)院，河南鄭州450001)

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與充電管理策略研究

張志峰，陳楚湘，王運(yùn)成

(信息工程大學(xué)理學(xué)院，河南鄭州450001)

為了實(shí)現(xiàn)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效能量管控，首先對(duì)由大量鋰離子電池組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了分組、分層次、自治的設(shè)計(jì)方法;然后針對(duì)設(shè)計(jì)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了一種基于電池荷電狀態(tài)(SOC)的充電管理策略，以提高其充電效率，延長(zhǎng)其使用壽命，保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該管理策略可以有效提高鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電效率。

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng);充電效率;SOC;充電管理策略

0 引言

鋰離子電池與其它幾種二次電池相比，具有工作電壓高、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)工具、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1－3］。隨著近年來(lái)電池管理系統(tǒng)(BMS)研究的不斷深入，電池成組運(yùn)用產(chǎn)生的一系列問(wèn)題也得到了較好解決［4－5］，因此應(yīng)用鋰離子電池構(gòu)建大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)也是完全可行的。

由于所需鋰離子電池?cái)?shù)量龐大，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)勢(shì)必較為復(fù)雜，如何通過(guò)合理的拓?fù)湓O(shè)計(jì)把復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化就成為解決該系統(tǒng)所有問(wèn)題的基礎(chǔ)。在鋰離子電池大規(guī)模成組構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池往往達(dá)不到其使用壽命就已提前失效，并且電池在充放電的過(guò)程中對(duì)電能的損耗也較大，這些在很大程度上制約了鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣使用，而這些問(wèn)題的解決除了對(duì)鋰離子電池本身進(jìn)行性能改進(jìn)提高之外，更為重要的是對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行有效的能量管理。因此，為了使電池儲(chǔ)能技術(shù)更好地發(fā)揮效能，面對(duì)包含大量鋰離子電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)，本文主要從系統(tǒng)規(guī)劃和能量管理兩個(gè)方向進(jìn)行研究探討。

1 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)造

由于單體電池電壓、電流、容量等的局限性，為滿足需求，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常由大量單體電池組成。在現(xiàn)有的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，單體電池往往是通過(guò)簡(jiǎn)單的先串聯(lián)后并聯(lián)或先并聯(lián)后串聯(lián)或兩者結(jié)合的方式連接構(gòu)成一個(gè)大的電池網(wǎng)絡(luò)。在此種系統(tǒng)中，需要對(duì)所有電池進(jìn)行均衡管理，難度較大，而且系統(tǒng)的可靠性與安全性較差，難以保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，另外該系統(tǒng)作為一個(gè)嚴(yán)格意義上的整體，很難在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行高效精確的能量管理。

針對(duì)以上問(wèn)題，根據(jù)管理學(xué)“分而治之”的思想，本文提出分組、分層次、自治的方法對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。把大量電池分成許多獨(dú)立的小組，一方面，易于對(duì)電池進(jìn)行均衡管理和高效精確管控;另一方面，方便電池的更換和維護(hù)。此外，因電池小組是獨(dú)立自治的，它們之間互不影響，從而保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的高度可靠性。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)分組分層時(shí)應(yīng)遵循以下原則: (1)每個(gè)基層電池小組中的所有鋰離子電池單體應(yīng)是同型號(hào)的且經(jīng)出廠檢驗(yàn)一致性較好。(2)具體而言，可將儲(chǔ)能系統(tǒng)分為系統(tǒng)層、機(jī)柜層和模組層三大層，因機(jī)柜可以向更大的機(jī)柜集成，機(jī)柜層又可以包含有若干小層次，這就需要我們根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的大小和具體要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想和原則，首先，將一定數(shù)量的鋰離子單體電池通過(guò)串并聯(lián)連接組成一個(gè)電池模組，每個(gè)模組作為1個(gè)獨(dú)立的功能單元與1臺(tái)雙向DC/DC連接進(jìn)行充放電，其中該雙向DC/DC具有遠(yuǎn)程控制功能，包括啟停，升降壓切換，電壓、電流的設(shè)定等;然后，將一定數(shù)量的電池模組集成為一個(gè)儲(chǔ)能機(jī)柜，每個(gè)儲(chǔ)能機(jī)柜通過(guò)一個(gè)控制開(kāi)關(guān)與直流母線相連;最后，一系列的儲(chǔ)能機(jī)柜就構(gòu)成了整個(gè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)充電管理策略設(shè)計(jì)

如何提高充電效率、延長(zhǎng)電池使用壽命，保證電池儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行是能量管理策略所要重點(diǎn)研究的內(nèi)容［6］。本文以鋰離子電池充電性能的分析為理論依據(jù)，開(kāi)展鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電管理策略的研究工作。

2.1 鋰離子電池充電性能分析

由于在不同的電流下，鋰離子電池的充電效率會(huì)不同，并且充電電流和充放電深度對(duì)鋰離子電池的壽命有重大的影響，因而合理設(shè)置其充電電流大小和充放電深度，對(duì)于安全高效使用鋰離子電池和延長(zhǎng)其使用壽命具有重要意義。

2.1.1 充電電流特性

鋰離子電池的充電接受能力是指不對(duì)電池造成傷害或傷害較小時(shí)電池所能經(jīng)受的最大充電電流。實(shí)驗(yàn)表明，在不考慮其它因素影響的情況下，鋰離子電池可接受的最大充電電流M隨著s(s為SOC的實(shí)時(shí)取值)的增大而減小，即M=y(s)為減函數(shù)。

鋰離子電池不可能充多少電量進(jìn)去就能儲(chǔ)存有多少電量，一定會(huì)有所耗損，通常把鋰離子電池放電時(shí)取出的電量與充電時(shí)流進(jìn)的電量之比定義為充電效率。將溫度控制為恒溫后，充電效率主要受到SOC值s和充電電流I的影響，即有函數(shù)關(guān)系η(s，I)。

2.1.2 充放電深度的選取

過(guò)充電和過(guò)放電會(huì)對(duì)鋰離子電池造成巨大的傷害，在鋰離子電池的使用過(guò)程中，一定要避免對(duì)電池產(chǎn)生過(guò)充和低電壓的深度放電［7－8］。為了延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命，電池的放電深度(DOD)范圍最好保持在中間的某一段狀態(tài)，又因?yàn)殡姵氐暮呻姞顟B(tài)與放電深度之和為1，故選取DOD的范圍也就等同于選取SOC的范圍。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)充電管理策略的設(shè)計(jì)

針對(duì)本文設(shè)計(jì)的的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，記該系統(tǒng)中有n個(gè)儲(chǔ)能機(jī)柜，且每個(gè)機(jī)柜中有m個(gè)電池模組。因?qū)?chǔ)能機(jī)柜的能量管理和對(duì)單個(gè)機(jī)柜中電池模組的能量管理類似(只不過(guò)層次不同而已)，以下主要選取單個(gè)機(jī)柜中m個(gè)電池模組為對(duì)象進(jìn)行能量管理策略的設(shè)計(jì)。在該策略中，設(shè)定單個(gè)電池模組中所有單體電池處于較好的均衡狀態(tài)且電池工作的環(huán)境溫度恒定在常溫。為了防止電池模組的過(guò)充和過(guò)放，限制其SOC工作范圍為l到h(0＜l＜h＜1)，當(dāng)s≤l時(shí)，禁止該模組放電;當(dāng)s≥h時(shí)，禁止該模組充電。故可知第i個(gè)電池模組的最大可充電電流定義式為:

如圖1所示，記某儲(chǔ)能機(jī)柜的充電電流為I，分配到第i個(gè)電池模組的充電電流經(jīng)DC/DC變換前為Ii，變換后為Ii'，直流母線端電壓為U，第i個(gè)電池模組電壓為Ui'，DC/DC的效率為ηDC。

圖1 單個(gè)儲(chǔ)能機(jī)柜充電示意圖

根據(jù)DC/DC兩端的功率關(guān)系和電流分配前后的關(guān)系有:

由(2)、(3)兩式可得:

并且可定義該儲(chǔ)能機(jī)柜的充電效率為:

則可建立如下的模組間電流分配優(yōu)化模型，使得整個(gè)儲(chǔ)能機(jī)柜的充電效率η最大:

充電管理策略為:首先，根據(jù)配套的監(jiān)控系統(tǒng)收集到的參數(shù)，結(jié)合有效的方法［9－10］，實(shí)時(shí)估算出某儲(chǔ)能機(jī)柜中第i個(gè)電池模組的SOC值si;然后根據(jù)si可得到該電池模組可接受的最大充電電流Mi(i=1，2，…，m);進(jìn)而可知該機(jī)柜可接受的最大充電電流為:

若I＞M，說(shuō)明此時(shí)給予該機(jī)柜的能量過(guò)大，需要向管理系統(tǒng)進(jìn)行反饋，進(jìn)而采取有效措施進(jìn)行合理限制;否則即可根據(jù)優(yōu)化模型(6)對(duì)電流I進(jìn)行模組間的分配。

2.3 充電管理策略的評(píng)價(jià)

在電網(wǎng)層，該充電管理策略可以把鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可接受的最大充電電流實(shí)時(shí)反饋給上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，成為上級(jí)進(jìn)行電網(wǎng)中能量調(diào)度的重要依據(jù)之一，從而使電能得以在發(fā)、儲(chǔ)、用裝置間合理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

在儲(chǔ)能層，該充電管理策略有以下優(yōu)點(diǎn):避免鋰離子電池的過(guò)電流充電，保證其安全使用，延長(zhǎng)其循環(huán)壽命;根據(jù)上級(jí)實(shí)時(shí)的電流要求，合理調(diào)整安排儲(chǔ)能系統(tǒng)中參與充電的電池模組和各模組電流的大小，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電能的高效利用;通過(guò)設(shè)定合理的SOC工作范圍，杜絕鋰離子電池的過(guò)充電，確保電池的性能和使用壽命。

3 案例分析

實(shí)驗(yàn)選取的某型號(hào)鋰離子電池的額定容量為30 Ah，額定電壓為3.2 V，工作電壓范圍為2.8 V到3.7 V。母線電壓為3.6 V，DC/DC的效率ηDC為94%(假設(shè)為恒定)。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，每節(jié)電池連接一個(gè)DC/DC組成一個(gè)電池模組，電池模組的SOC工作范圍取為30%到90%，單個(gè)儲(chǔ)能機(jī)柜中有5個(gè)電池模組。

首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的該型號(hào)鋰離子電池在不同SOC狀態(tài)下的最大可接受充電電流M的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，如圖2所示，可得:

M=y(s)=160．6·e－3．872·s+46．04

圖2 SOC與M的關(guān)系曲線

其次，求函數(shù)η(s，I)。可令η(s，I)=a·Ib+ c，其中a、b、c均是以SOC值s為自變量的函數(shù)值。實(shí)驗(yàn)中選取不同的SOC狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)均以一系列電流值進(jìn)行充電并測(cè)試其對(duì)應(yīng)的充電效率，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同SOC狀態(tài)下a、b、c的取值，如表1所示。根據(jù)此表可擬合得到:進(jìn)而可得到該型號(hào)鋰離子電池的充電效率函數(shù)η(s，I)。

表1 不同SOC狀態(tài)下a、b、c的取值

最后，把以上兩步的結(jié)果代入模型(6)可得到該儲(chǔ)能機(jī)柜充電效率的具體優(yōu)化模型。

在實(shí)驗(yàn)中某時(shí)刻t時(shí)，測(cè)得該儲(chǔ)能機(jī)柜中1到5號(hào)電池模組的SOC依次為75%、32%、86%、43%、82%，端電壓依次為3.24V、2.98V、3.52V、3.16V、3.43V，母線電壓為U=3.6 V，優(yōu)化前母線電流是平均分配給5個(gè)電池模組的。下面分別對(duì)母線電流I為100 A和200 A兩種情況下，優(yōu)化前后儲(chǔ)能機(jī)柜充電效率η進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2和表3所示，表中電流單位為安培(A)。

表2 母線電流I=100 A時(shí)優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

表3 母線電流I=200 A時(shí)優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

由表2得出優(yōu)化后儲(chǔ)能機(jī)柜的充電效率η提高了4.74%，由表3得出優(yōu)化后儲(chǔ)能機(jī)柜的充電效率η提高了5.20%，證明了該充電管理策略在提高充電效率方面的科學(xué)性。另外，在該案例中優(yōu)化后效率提高的幅度還不是特別理想，這是由于受到了系統(tǒng)規(guī)模和假定狀態(tài)的限制。

4 結(jié)論

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常是由大量單體鋰離子電池組成的，為了高效有序的管理如此龐大數(shù)量的鋰離子電池，本文提出了分組、分層次、自治的科學(xué)設(shè)計(jì)原則并據(jù)此對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。然后以鋰離子電池充電性能為理論依據(jù)，針對(duì)構(gòu)造的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了一種基于SOC的充電管理策略。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電效率，通過(guò)合理限制電流的大小和SOC的范圍避免了過(guò)流充電和過(guò)充電，延長(zhǎng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命，從而使儲(chǔ)能系統(tǒng)以至于整個(gè)電網(wǎng)得以長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行。

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Designing and Charging Management Strategy Research of Lithium-ion Battery Energy Storage System

ZHANG Zhifeng，CHEN Chuxiang，WANG Yuncheng
(College of Science，Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China)

In order to achieve the reasonable energy management for a lithium-ion battery energy storage system．Firstly，the organizational structure of the energy storage system composed by a large number of lithium-ion batteries is studied．Then，a design method is proposed in this paper，which divides the batteries into groups and different levels，and what’s more，the batteries exercise autonomy themselves．After that，in view of this designed battery energy storage system，a charging management strategy based on the battery state of charge(SOC)is proposed to improve its charging efficiency，and extend its life and ensure its long-term stable operation as well．The experimental result shows that the management strategy can improve the charging efficiency of the lithium-ion battery energy storage system

Lithium-ion battery energy storage system;charging efficiency;SOC; charging management strategy

TM912

A

1672－0792(2017)05－0022－04

張志峰(1989－)，男，助教，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)管理與優(yōu)化。

10.3969/j.ISSN.1672－0792.2017.07.004

2016－12－08。